[論文レビュー] Spin-valley qubits in gated quantum dots in a single layer of transition metal dichalcogenides

Abdulmenaf Altıntaş, Maciej Bieniek+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 29, 2021

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ひとこと要約

本論文は、単層遷移金属ジ chalcogenide (TMDC) のゲート付き量子ドットにおけるスピン・バルクキュービットの微視的・原子スケールの理論を提案する。強いスピン軌道結合とバルクロックを活用し、縮退するキュービット状態を生成する。キュービットは垂直方向の電場（スピン軌道結合を有効化）と局所化された横方向ゲート（バルク混合を誘導）の組み合わせにより操作され、現実的で数百万原子を含むナノ構造において高精度なユニバーサル単一キュービット操作を実現する。

ABSTRACT

We develop a microscopic and atomistic theory of electron spin-based qubits in gated quantum dots in a single layer of transition metal dichalcogenides. The qubits are identified with two degenerate locked spin and valley states in a gated quantum dot. The two-qubit states are accurately described using a multi-million atom tight-binding model solved in wavevector space. The spin-valley locking and strong spin-orbit coupling result in two degenerate states, one of the qubit states being spin-down located at the $+K$ valley of the Brillouin zone, and the other state located at the $-K$ valley with spin up. We describe the qubit operations necessary to rotate the spin-valley qubit as a combination of the applied vertical electric field, enabling spin-orbit coupling in a single valley, with a lateral strongly localized valley-mixing gate.

研究の動機と目的

• ゲート付き量子ドットにおける単層TMDCのスピン・バルクキュービットの微視的・原子スケールの理論を構築すること。
• 論理キュービット基底を形成する二つの縮退的でスピン・バルクロックされた状態を特定および特徴付けること。
• スピン・バルクキュービットに対するユニバーサル単一キュービット操作を実現する実用的で実験的に整合性のあるスキームを提供すること。
• キュービット回転（σx操作）が垂直電場と局所化された横方向ポテンシャルの組み合わせにより達成可能であることを示すこと。

提案手法

• TMDC量子ドット内の電子状態を記述するために、波数空間における数百万原子のタイトバインディングモデルを用いる。
• Gaussianポテンシャルを用いて量子ドットの閉じ込めをモデル化し、深さをV0、半径をRQDとする。
• 逆空間におけるk·pに類似したアプローチを用いて、スピン軌道結合とバルク自由度を明示的に組み込む。
• 時間に依存する垂直電場を適用してスピン軌道結合を活性化し、スピン反転を可能にする。
• 時間に依存する、非常に局所化された横方向ポテンシャルを用いてバルク混合を誘導し、Kと−Kバルク間の遷移を実現する。
• 導電帯状態の軌道的構成を偶数パリティの金属軌道と硫黄二量体軌道の線形結合として分析し、キュービット回転のメカニズムを特定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 原子スケールの電子状態理論を用いて、ゲート付き量子ドットにおける単層TMDCのスピン・バルクキュービットはどのように符号化可能か？
• RQ2 スピン・バルクキュービットに対してユニバーサル単一キュービット操作を実行するために、どのような外部制御機構が必要か？
• RQ3 垂直電場と横方向ゲートはどのように協調してキュービット回転に必要なスピンおよびバルク反転を可能にするか？
• RQ4 軌道対称性およびパリティは、TMDCにおけるスピン・バルクキュービット操作を可能にする役割を果たすか？
• RQ5 グラフェンバックゲートやSTMチップを用いた実験的実現可能なゲートで、提案されたスキームを実装可能か？

主な発見

• ゲート付き量子ドットにおける二つの最低エネルギー電子状態は、スピン・バルクロック状態の縮退した二重項を形成し、+Kバルクではスピンが下向き、−Kバルクではスピンが上向きの状態となる。
• キュービット回転（σx操作）は、時間に依存する垂直電場と時間に依存する局所化された横方向ポテンシャルを同時に適用することで達成される。
• 垂直電場は主に硫黄層に作用し、奇数パリティの導電帯を活性化し、スピン軌道結合を通じてスピン反転を可能にする。
• 横方向ゲートは反対スピン軌道に作用することでバルク混合を誘導し、二つの縮退したキュービット状態間の遷移を可能にする。
• このスキームは、二重グラフェン垂直ゲートやSTMを用いた横方向ゲートを用いたWSe2ベースの量子ドットと実験的に整合性を持つ。
• この手法により、現実的で数百万原子を含むTMDCナノ構造においてユニバーサル単一キュービット操作が可能となり、スケーラブルなスピン・バルクキュービットアーキテクチャの実現に道を拓く。